材料熱工基礎(chǔ) 燃燒

3.燃燒學(xué)研究燃燒基本理論與燃燒技術(shù)的一門科學(xué)。通過(guò)學(xué)習(xí)，達(dá)到最合理地、最有效的組織燃燒過(guò)程和控制燃燒過(guò)程。內(nèi)容3.1燃料的種類和組成3.2燃料的熱工特性3.3燃燒計(jì)算3.4燃燒過(guò)程的基本理論3.1燃料的種類和組成主要介紹燃料的分類及化學(xué)組成的表示方法。燃料：指通過(guò)燃燒能獲得大量熱能，且這些熱能能為人們以各種方式所利用的可燃物質(zhì)。

工業(yè)上選作為燃料的僅是指燃燒過(guò)程中以氧氣(空氣)作氧化劑的物質(zhì)，故這些物質(zhì)應(yīng)當(dāng)是由那些能與氧化合的元素所組成。熱量的獲得形式燃料燃燒電為熱源按狀態(tài)分固體：木柴、煤和可燃頁(yè)巖。最常用是煤，有泥煤、褐煤、煙煤和無(wú)煙煤。液體：石油及石油加工產(chǎn)品。常用加工產(chǎn)品重油。氣體：天然氣及人造煤氣。常用天然氣、液化石油氣及發(fā)生爐煤氣。按來(lái)源分天然燃料：自然界的原煤、石油、天然氣、木柴等人工燃料：由天然原料加工而成，如煤粉、重油、發(fā)生爐煤氣等。1、燃料的種類(依狀態(tài)、來(lái)源分)(理解)3.1燃料的種類和組成2、燃料的化學(xué)組成及表示方法(掌握)(固液體，氣體)(1)、固體和液體(元素分析法，工業(yè)分析法)①元素分析法固體和液體燃料組成可由化學(xué)分析獲得，它們是碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)五種元素和部分的礦物雜質(zhì)－灰分(A)、水分(M)根據(jù)不同的條件，固體和液體燃料的元素組成表示方法可分為下列四種：?收到基：使用單位收到煤的組成，即實(shí)際使用煤的組成，在各組成的右下角“ar”3.1燃料的種類和組成?空氣干燥基：指分析實(shí)驗(yàn)室里所用的煤樣組成，在各組成的右下角“ad”表示?？諝飧稍锘鶞?zhǔn)煤中的水分為兩部分組成：空氣干燥過(guò)程逸出的水分空氣干燥狀態(tài)殘留的水分或表示如下：3.1燃料的種類和組成?干燥基：指絕對(duì)干燥的煤的組成。“d”?干燥無(wú)灰基：指假想的無(wú)水無(wú)灰的煤的組成。在各組成的右下角“daf”說(shuō)明根據(jù)質(zhì)量平衡原理，上述四種組成表示方法，可以相互進(jìn)行換算。表4-13.1燃料的種類和組成②工業(yè)分析法主要是確定煤中的灰發(fā)分(V)、固定碳(FC)、灰分(A)和水分(M)的含量作為控制煤的質(zhì)量指標(biāo)。同樣可用上述四種標(biāo)準(zhǔn)：收到基空氣干燥基干燥基干燥無(wú)灰基3.1燃料的種類和組成(2)、氣體燃料(濕成分，干成分)氣體燃料是由可燃成分CO、H2、CH4、H2S、CmHn等和不可燃成分CO2、H2O、N2、SO2、O2等組成的混合氣體。其中SO2和H2S是有害氣體成分。組成用體積百分含量表示，有干成分和濕成分二種：濕成分上標(biāo)用“”,干成分上標(biāo)用“d”。區(qū)別是否包括水蒸汽。濕成分3.1燃料的種類和組成干成分干、濕成分的換算：100m3濕氣體燃料中所含水蒸汽的體積。3.1燃料的種類和組成3.2燃料的熱工性質(zhì)及選用原則1、發(fā)熱量(概念，種類，測(cè)定，標(biāo)準(zhǔn)燃料)概念單位體積或單位質(zhì)量的燃料完全燃燒，當(dāng)燃燒產(chǎn)物冷卻到燃燒前的溫度時(shí)所放出的熱量稱燃料的發(fā)熱量或熱值。種類高位發(fā)熱量：燃料完全燃燒，產(chǎn)物中的水蒸汽全部凝結(jié)為水時(shí)所放出的熱量；低位發(fā)熱量：燃料完全燃燒，產(chǎn)物中的水蒸汽仍以氣態(tài)存在時(shí)所放出的熱量。內(nèi)容發(fā)熱量(掌握)

燃料的其它熱工特性(理解)

燃料的選用原則(理解)則收到基高、低位熱值之差為：其它基準(zhǔn)為：1kg固體或液體燃料燃燒后生成水量為：差別3.2燃料的熱工性質(zhì)及選用原則測(cè)定和計(jì)算專門的量熱計(jì)測(cè)定：固體用氧彈量熱計(jì)；氣體用氣體量熱計(jì)。計(jì)算采用經(jīng)驗(yàn)公式，見(jiàn)教材4-8～4-11公式標(biāo)準(zhǔn)燃料標(biāo)準(zhǔn)煤的收到基低位發(fā)熱量為29270kj/kg(7000kCal/kg);標(biāo)準(zhǔn)油或標(biāo)準(zhǔn)氣的低位發(fā)熱量為41820kj/kg或kj/Nm3(10000kCal/kg,Nm3)1NM3氣體燃料，高、低位熱值的差別為：3.2燃料的熱工性質(zhì)及選用原則揮發(fā)粉；結(jié)渣性；水分；可燃硫含量。固體燃料有：液體燃料有：粘度；閃點(diǎn)、燃點(diǎn)、著火點(diǎn)；凝固點(diǎn)；密度；比熱和導(dǎo)熱系數(shù)；水分；機(jī)械雜質(zhì)。氣體燃料有：煤氣的分子量和密度；煤氣的平均比熱。3、燃料的選用原則：教材P241隨燃料的種類不同而不同。有以下幾種：2、燃料的其它熱工特性：3.2燃料的熱工性質(zhì)及選用原則3.3燃燒計(jì)算本節(jié)主要介紹燃燒計(jì)算的目的、內(nèi)容、計(jì)算方法。內(nèi)容

燃燒計(jì)算的目的、內(nèi)容和基本概念(掌握)

燃燒的分析計(jì)算法(掌握)

燃料的近似計(jì)算法(了解)

估計(jì)空氣量及煙氣量(理解)

操作計(jì)算(掌握)

燃燒溫度的計(jì)算(理解)1、燃燒計(jì)算的目的、內(nèi)容和基本概念(掌握)目的是在給定的條件下求出燃料燃燒需用的空氣量，燃燒產(chǎn)物生成量和成分，以及燃燒可能達(dá)到的溫度；為設(shè)計(jì)工業(yè)窯爐和設(shè)備選型提供原始數(shù)據(jù)或?qū)φ谶\(yùn)行的熱工設(shè)備進(jìn)行熱工標(biāo)定，確定工作效率。(1)目的和內(nèi)容3.3燃燒計(jì)算氣體的體積都用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(0℃,101325Pa)；氣體看作理想氣體，即1kmol的體積都是22.4升；溫度基準(zhǔn)：0℃；忽略空氣中稀有氣體的含量，將空氣看成是由氮?dú)夂脱鯕舛N所組成，其體積比為79:21。①機(jī)械不完全燃燒：由于機(jī)械設(shè)備的原因而燃料未能參加燃燒的部分稱～。②化學(xué)不完全燃燒：由于空氣供應(yīng)量不足或燃料與空氣混合不好而造成部分燃料未參加反應(yīng)稱～。(2)幾個(gè)假設(shè)(3)幾個(gè)基本概念3.3燃燒計(jì)算③空氣過(guò)剩系數(shù)：通常實(shí)際供給的助燃空氣量與按化學(xué)反應(yīng)式計(jì)算出的燃料燃燒所需的空氣量之比稱～。的經(jīng)驗(yàn)值如下：氣體燃料：液體燃料：固體燃料：煤粉：3.3燃燒計(jì)算④火焰的氣氛：根據(jù)燃燒產(chǎn)物的氣氛性質(zhì)，其燃燒后的火焰有氧化焰、中性焰和還原焰之分。氧化焰：>1，燃燒產(chǎn)物中有過(guò)剩的氧氣O2。中性焰：，燃燒產(chǎn)物中沒(méi)有過(guò)剩的氧氣，也疫有未燃燒的CO、H2和CH4等可燃?xì)怏w。還原焰：，燃燒產(chǎn)物中含有CO、H2和CH4等可燃?xì)怏w。說(shuō)明除特殊工藝需要外(如陶瓷制品的燒成)，燃燒的火焰一般都是氧化焰。3.3燃燒計(jì)算2、燃燒的分析計(jì)算法(固液體，氣體)(掌握)(1)固體和液體燃料(掌握計(jì)算過(guò)程)已知燃料的收到基組成如下：燃料中可燃成分按下列氧化反應(yīng)進(jìn)行。過(guò)程如下3.3燃燒計(jì)算理論燃燒需氧量(Vo2o)理論空氣需要量：(VaO)實(shí)際空氣需要量：(Va)3.3燃燒計(jì)算理論煙氣生成量：(VO)理論煙氣量中：3.3燃燒計(jì)算實(shí)際煙氣生成量：(V)當(dāng)α>1時(shí)3.3燃燒計(jì)算煙氣各組成量為：3.3燃燒計(jì)算當(dāng)α<1時(shí)各煙氣組成量：當(dāng)α<1，表示缺少的空氣量為

則缺少的氧氣量為：假設(shè)因空氣量不足，燃料中的H和S完全起反應(yīng)，C一部分完全反應(yīng)生成CO2，另一部分未完全反應(yīng)而生成CO，則：3.3燃燒計(jì)算實(shí)際煙氣的體積百分組成：以煙氣中各組成氣體的體積除以煙氣的總體積。3.3燃燒計(jì)算(2)氣體燃料(掌握)設(shè)氣體燃料的體積百分組成(%)：CO、H2、CmHn、O2、CO2、H2O;其中可燃成分：CO、H2、H2S、CmHn可燃成分與氧反應(yīng)式為：3.3燃燒計(jì)算理論空氣需要量：實(shí)際空氣需要量：理論煙氣生成量：計(jì)算方法同前固液體實(shí)際煙氣生成量：當(dāng)α>1時(shí)，計(jì)算方法同前。當(dāng)α>1時(shí)CO2、H2O和SO2與理論煙氣中相同，僅N2量不同，此外還有過(guò)剩的O2。各煙氣組成量：3.3燃燒計(jì)算當(dāng)α<1時(shí)若煤氣按比例燃燒，則：未燃煤氣量，Nm3/Nm3燃燒生成的煙氣量，Nm3/Nm3實(shí)際煙氣生成量：說(shuō)明以上項(xiàng)目計(jì)算統(tǒng)為干氣體量，忽略其空氣中水蒸汽含量。3.3燃燒計(jì)算3、燃料的近似計(jì)算法(理解)：燃料燃燒的理論空氣量及煙氣生成量與燃料的組成有關(guān)，而燃料的熱值也與燃料的組成有關(guān)，則它們之間有內(nèi)在的聯(lián)系。按表4-15經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算理論空氣量和理論煙氣量。4、估計(jì)空氣量及煙氣量(理解)：當(dāng)燃料的化學(xué)組成及熱值均不知道時(shí)，可按燃料的種類來(lái)粗略估計(jì)理論空氣量及理論煙氣量，表4-165、操作計(jì)算(掌握)：對(duì)正在運(yùn)行的工業(yè)窯爐，可根據(jù)燃料及測(cè)出煙氣組成計(jì)算出空氣量和空氣過(guò)剩系數(shù)。3.3燃燒計(jì)算其目的：了解燃料與空氣的配比是否正常，分析燃燒操作是否合適等。(1)、實(shí)際煙氣量和空氣量的計(jì)算：已知燃料的組成和煙氣組成，利用碳平衡，即燃料中的C=煙氣中的C+灰渣中的C，可計(jì)算煙氣量；利用氮平衡，即燃料中的N2+空氣中的N2=煙氣中N2，可計(jì)算空氣量。(2)、空氣系數(shù)α的計(jì)算：方法：氧平衡法氮平衡法3.3燃燒計(jì)算氧平衡法實(shí)際需氧量理論需氧量=理論需氧量+過(guò)剩氧量理論需氧量完全燃燒時(shí)：見(jiàn)教材解釋不完全燃燒時(shí)：煙氣中仍有CO、H2、CH4和碳粒等可燃成分，則：3.3燃燒計(jì)算氮平衡法?當(dāng)固、液體燃料含氮量很少時(shí)，可略去，認(rèn)為煙氣中的氮含量就等于助燃空氣中的氮含量。則上式為：煙氣中的O2量減去與煙氣中可燃物起反應(yīng)的O2=過(guò)?？諝庵械腛2式中N2、O2、CO－煙氣中各組成的百分含量3.3燃燒計(jì)算?對(duì)氮含量很高的燃料不能忽略時(shí)，而干煙氣中又有CO、H2、CmHn及O2時(shí)：為煙氣中的O2量減去與煙氣中可燃物起反應(yīng)的O2量=過(guò)剩空氣中的O2量式中N2、O2、CO、H2、CmHn

－煙氣中各組成百分含量3.3燃燒計(jì)算(3)、漏入空氣量的計(jì)算：測(cè)定窯內(nèi)不同負(fù)壓處的煙氣組成，可計(jì)算出漏氣量為：式中：—

漏入空氣量，Nm3/hVaO

—

理論空氣量，Nm3/Nm3或Nm3/kgQf

—

燃料量，Nm3/h或kg/hα1、α2—

不同測(cè)點(diǎn)處計(jì)算得的空氣系數(shù)值(α2測(cè)點(diǎn)在后)3.3燃燒計(jì)算6、燃燒溫度的計(jì)算(概念，分類，計(jì)算，改進(jìn))目的：為了保證物料或制品的煅燒的要求。燃料燃燒時(shí)放出熱量，使燃燒產(chǎn)物的溫度升高，此溫度稱為燃燒溫度。分類量熱計(jì)式燃燒溫度理論燃燒溫度實(shí)際燃燒溫度掌握3.3燃燒計(jì)算（1）、量熱計(jì)式燃燒溫度：（tm）在絕熱條件下，燃料燃燒放出的全部熱量（燃料的顯熱及熱值、助燃空氣顯熱）均用于加熱燃燒產(chǎn)物，并且不考慮燃燒產(chǎn)物在高溫下的分解，此時(shí)所得燃燒產(chǎn)物的溫度，叫～。式中：3.3燃燒計(jì)算（2）、理論燃燒溫度：（tth）燃料燃燒放出的全部熱量，補(bǔ)償高溫（>1600℃）時(shí)燃燒產(chǎn)物中部分CO2和H2O分解反應(yīng)吸收掉的熱量后，用于加熱燃燒產(chǎn)物所得的溫度，稱～。CO2和H2O分解吸收的熱量kJ/Nm3在一般硅酸鹽窯爐中，燃燒產(chǎn)物溫度下，CO2和H2O的分解量極小，可忽略，故上式或?qū)懗桑?.3燃燒計(jì)算（3）、實(shí)際燃燒溫度：（tp）燃料在燃燒室或窯內(nèi)燃燒時(shí)，由于各種因素，收入的熱量不能全部用來(lái)加熱燃燒產(chǎn)物，則實(shí)際燃燒溫度較理論燃燒溫度低。散熱灰渣帶走熱燃燒產(chǎn)物吸熱3.3燃燒計(jì)算說(shuō)明在實(shí)際操作過(guò)程中，tp較容易測(cè)定，Qch、Qml、Ql、Qa,s、Qm不易測(cè)定，因此，根據(jù)實(shí)際操作可得出不同窯爐的實(shí)際操作中總結(jié)出實(shí)際燃燒溫度與理論燃燒溫度的比值—高溫系數(shù)。3.3燃燒計(jì)算計(jì)算在計(jì)算理論燃燒溫度時(shí)，由于煙氣的平均比熱C隨溫度的變化而變化，依上述公式計(jì)算時(shí)，須采用“試差法”。為了減少計(jì)算次數(shù)，可用“內(nèi)插法”：即設(shè)t1—C1—Q1，若Q1>Q，另設(shè)較小的t2—C2—Q2,使Q2<Q，此時(shí)tth值必在t1與t2之間，則可求得tth,即：為了計(jì)算方便，為常使（t1-t2）差為100。計(jì)算過(guò)程通過(guò)物料和熱平衡進(jìn)行?；鶞?zhǔn)：1kg或1Nm3燃料，溫度：0℃3.3燃燒計(jì)算亦可用圖解法：教材圖4-3已知：t1、Q1得B點(diǎn)；t1、Q2得A點(diǎn)，聯(lián)接AB線，由Q可找到tth。例4－7（4）、提高實(shí)際燃燒溫度的途徑(掌握)?選用高發(fā)熱量的燃料：?控制適當(dāng)?shù)目諝庀禂?shù)：?預(yù)熱空氣或燃料：

?減少向外界散熱：（5）、空氣預(yù)熱溫度的計(jì)算3.3燃燒計(jì)算當(dāng)實(shí)際燃燒溫度不能達(dá)到工藝要求時(shí)，常采用預(yù)熱助燃空氣來(lái)達(dá)到滿足工藝要求。例4－83.5燃燒過(guò)程的基本理論主要介紹燃燒的分類及其燃燒有關(guān)基本概念。1、燃燒的概念及其分類：(掌握概念)燃燒是指燃料中可燃物與空氣發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱量并伴隨有強(qiáng)烈的發(fā)光現(xiàn)象。從燃燒的本質(zhì)分可燃?xì)怏w的燃燒固定碳的燃燒從燃燒的速度分正常燃燒爆炸性燃燒單相燃燒多相燃燒2、著火溫度：

(掌握概念)(掌握概念)概念任何燃料的燃燒過(guò)程都有“著火”及“燃燒”兩個(gè)階段。在自然條件下的燃料會(huì)與空氣中的氧起緩慢的氧化反應(yīng)，并產(chǎn)生熱量。如果散熱條件不好，一部分熱量會(huì)使燃料溫度升高，使氧化反應(yīng)加劇，當(dāng)燃料溫度升高到某一值時(shí)，氧化反應(yīng)發(fā)生飛躍并發(fā)出火光，這種現(xiàn)象稱為自然。由緩慢的氧化反應(yīng)飛躍轉(zhuǎn)變?yōu)閯×已趸磻?yīng)并發(fā)出火光的溫度稱著火溫度。影響因素（氣體的燃燒反應(yīng)）設(shè)有一容器內(nèi)盛有煤氣與空氣的混合物，氧化放熱反應(yīng)，單位時(shí)間內(nèi)氧化放出的熱量與單位時(shí)間內(nèi)散失于外圍熱量與混合氣體溫度（T）的關(guān)系為：(掌握)3.5燃燒過(guò)程的基本理論2、著火溫度：

(掌握概念)式中：將上二式繪成曲線，見(jiàn)教材圖4-4。3.5燃燒過(guò)程的基本理論由圖可知：Ⅰ—放熱曲線：放熱速率與溫度的關(guān)系Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ—不同外圍空氣溫度的散熱曲線

混合氣體溫度：對(duì)于曲線Ⅰ和Ⅱ，A點(diǎn)是穩(wěn)定點(diǎn)，因?yàn)楫?dāng)混合氣體溫度T>TA或T<TA時(shí)，放熱速率大于散熱速度及散熱速率大于放熱速率，則溫度均不穩(wěn)定。此時(shí)氧化反應(yīng)速度低，屬緩慢的氧化反應(yīng)。B點(diǎn)是不穩(wěn)定點(diǎn)，因?yàn)楫?dāng)混合氣體溫度T<TB或T>TB時(shí)，放熱和散熱速率均不相等，氣體溫度均要發(fā)生相應(yīng)的變化。3.5燃燒過(guò)程的基本理論

周圍介質(zhì)溫度：當(dāng)周圍介質(zhì)溫度TO↗TO/時(shí)，Ⅱ曲線右移，當(dāng)?shù)竭_(dá)Ⅲ曲線位置時(shí)，放熱與散熱速度相切，二者速度相等，則C點(diǎn)是穩(wěn)定情況存在的極限點(diǎn)。當(dāng)TO繼續(xù)升高而且>TO/時(shí)，放熱速度總是大于散熱速率，溫度升高，反應(yīng)加速，發(fā)生自然現(xiàn)象。C點(diǎn)叫著火點(diǎn)，TC叫著火溫度。結(jié)論著火溫度不是一個(gè)定值；與燃料的組成及其參數(shù)、散熱條件等有關(guān)。教材表4-203.5燃燒過(guò)程的基本理論3、著火濃度范圍氣體燃料與空氣的比例，必須在一定的范圍內(nèi)才能著火燃燒，這一范圍稱著火濃度范圍。在著火濃度范圍內(nèi)的可燃?xì)怏w與空氣的混合物，遇到明火時(shí)可能產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象，所以著火濃度極限又叫爆炸極限?；旌蠚怏w中可燃?xì)怏w的含量低于下限或高于上限時(shí)，在一般情況下不會(huì)著火燃燒或爆炸。爆炸極限由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。教材表4-214、固定炭的燃燒炭的燃燒是氣-固兩相反應(yīng)的物理-化學(xué)過(guò)程。特點(diǎn)3.5燃燒過(guò)程的基本理論?氧氣擴(kuò)散至炭粒表面；?氧氣與炭粒表面反應(yīng)；?生成物CO、CO2從表面炭粒擴(kuò)散出來(lái)。過(guò)程機(jī)理（幾種說(shuō)法）?氧氣擴(kuò)散至炭粒表面先氧化成CO2，當(dāng)炭